交流500 kV 交聯聚乙烯海纜研制與工程應用的若干科學問題

周自強，王少華，鐘曉波

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

隨著國家海洋戰略的實施，大型海島社會經濟建設、大規模海上新能源送出迫切需要采用500 kV 跨海輸電。采用海中立塔的大跨越架空輸電方式，工程建設投資較高，因此500 kV 海纜應用十分緊迫。充油海纜存在落差限制、絕緣油泄露污染環境風險，XLPE（交聯聚乙烯）海纜代表技術發展方向。500 kV 海纜方面，國外僅有500 kV 充油海纜，不具備500 kV XLPE 海纜制造能力；XLPE 海纜方面，在舟山500 kV 聯網輸變電工程之前，國內僅能制造220 kV XLPE 海纜，也不具備500 kV XLPE 海纜制造能力。對于500 kV 海纜工程，若采用進口充油海纜，存在國外船只掃海帶來的國家安全風險，因此無論是從國家安全層面、還是專業技術層面，開展國產交流500 kV XLPE 海纜研制均具有重要意義[1]。國內外研究者對220 kV 及以下電壓等級海纜和500 kV 及以下陸地電纜進行了大量研究，在電纜接頭特性、海纜敷設受力特性等方面取得了一些成果[2-8]。與陸地電纜相比，XLPE 海纜存在工廠接頭研制、大長度連續制造等難點[2-3]。與220 kV XLPE 海纜相比，隨著電壓等級提高，海纜比重增加、截面增大，500 kV XLPE 海纜在工廠接頭研制、海纜敷設應力釋放、敷設過程中船舶穩定控制等方面的難度也隨之提高[9-10]。

舟山500 kV 聯網輸變電工程是世界上首個交流500 kV XLPE 海纜工程。聯網規劃初期準備采用全架空方式，總投資高達134.5 億元，采用500 kV 海纜可顯著降低工程投資。依托本工程，國網浙江公司聯合中國電科院、西安交通大學、寧波東方電纜等單位，形成“產學研用”共同體，圍繞交流500 kV XLPE 海纜研制與工程應用開展技術攻關，研制的交流500 kV XLPE 海纜通過了型式試驗、預鑒定試驗、半成品試驗、出廠試驗、交接試驗等一系列性能考核。首個交流500 kV XLPE 海纜工程投運后運行良好，項目形成的海纜制造及敷設技術等方面成果在后續的12 個海上風電及島嶼聯網工程中得到推廣應用。交流500 kV XLPE 海纜研制與應用過程中，存在高場強工廠接頭研制、半導電屏蔽材料選擇、大截面海纜敷設控制等諸多技術難題。

高場強工廠接頭研制技術難題方面，存在的主要科學問題是XLPE 海纜工廠接頭及近接頭海纜的絕緣特性。與220 kV XLPE 海纜相比，500 kV XLPE 海纜的絕緣工作場強更為集中，工廠接頭的恢復絕緣與本體絕緣的微小差異以及過渡絕緣的存在，都可能引起XLPE 絕緣發生電樹枝劣化甚至絕緣擊穿[11]。為了保障工廠接頭及近接頭海纜擠制絕緣性能的穩定性，找到XLPE 絕緣電樹枝劣化甚至絕緣擊穿的根本原因，需要分析不同注塑方式下，不同區域LDPE（低密度聚乙烯）熔體密度差異導致的工廠接頭絕緣晶相結構差異，并在此基礎上進一步分析海纜工廠接頭及近接頭海纜的絕緣性能差異。

海纜半導電屏蔽材料選擇方面，存在的主要科學問題是半導電層與絕緣層的電熱匹配特性。目前，我國110 kV 以上絕緣料和35 kV 以上半導電屏蔽料尚未實現國產化，尚未系統掌握半導電屏蔽材料的電學、熱學、力學等方面性能。海纜半導電層和絕緣層的電、熱匹配性會影響海纜電氣性能。針對500 kV 超高壓XLPE 海纜，盡管有關標準對海纜的結構、材料性能有要求[13]，但對于海纜的半導電層材料的性能要求、技術參數要求研究尚不夠系統、深入，對于上述因素影響海纜電氣性能的規律并不清晰。XLPE 海纜半導電層和絕緣層的電、熱匹配情況對海纜電氣性能的影響規律研究涉及高電壓、電氣絕緣、界面物理、化學制備、材料合成等多個學科，需要從基體樹脂、新型填充料、界面匹配、加工工藝等方面，綜合提升其電學性能、熱學性能和力學性能，以滿足高電壓等級海纜的應用需求。

大截面海纜敷設控制方面，存在的主要科學問題是海纜敷設大噸位纜盤應力分布特性及敷設系泊穩定控制。對于大截面、高比重海纜，若采用傳統高度退扭方式進行敷設應力釋放，退扭架高度過高且存在殘余的旋轉應力，不能保障施工平臺在海上工作的穩定性。在海纜施工過程中，施工船舶在海浪的作用下會產生晃動，這種晃動會損壞裝置結構，影響施工人員工作以及機器正常運轉和使用，使工作條件惡化，并對施工裝置、施工船舶帶來諸多不利影響[14-15]。實現大截面、高比重海纜敷設應力全釋放控制，避免或者減緩海上搖晃對施工設施的影響是海纜敷設需重點考慮的問題。

本文旨在結合交流500 kV XLPE 海纜的主要特點，在解決海纜研制與應用工程技術問題的同時，分析上述主要科學問題的研究進展，為以后更高電壓等級的XLPE 海纜研制與工程應用奠定基礎。

1 XLPE 海纜工廠接頭及近接頭海纜的絕緣性能

1.1 LDPE 熔體注塑方式對絕緣融合的影響

構建海纜工廠接頭的仿真模型，通過有限元仿真對LDPE 熔體注入并填充的過程進行數值分析，定量分析LDPE 熔體在注入并填充過程中的流動速度、流動形態及填充過程。注塑口直徑為8 mm，塑流量為5.5×10-7m3/s[12]。對比分析單口注塑、上下雙口注塑等不同方式下的LDPE 熔體注塑效果。不同注塑方式下的LDPE 熔體典型流速分布如圖1 所示。

圖1 不同注塑方式下的LDPE 熔體流速分布

對比圖1（b）—1（e）可知： 采用上下雙口注塑方式時，由于靠近注塑口的位置剪切應力很大，上下注塑口處的熔體流速很大，依然存在沿圓周方向的速度梯度；與單口注塑方式相比，上下雙口注塑方式時注塑口位置的速度梯度值減小。隨著位置逐漸遠離注塑口，注塑口的影響減弱，圓周方向的流速梯度逐漸消失，LDPE 熔體的流動趨于均勻。采用此種注塑方式，可使線芯各個位置絕緣料流速更為接近，從而避免局部融合紋。

1.2 工廠接頭及近接頭海纜的絕緣特性差異

利用交流500 kV XLPE 海纜本體、近接頭海纜和工廠接頭3 個區域的絕緣線芯制備試樣，在每個區域切取線芯絕緣層，分別選取同一徑向上的外部絕緣、中部絕緣和內部絕緣3 種試樣，對其進行工頻擊穿試驗及電樹枝試驗。

不同部位切片樣品的擊穿場強及其變化率如表1 所示。3 種樣品的典型電樹枝形態如圖2 所示[12]。

表1 擊穿場強及其變化率

圖2 典型電樹枝形態

由表1 和圖2 可知： 工廠接頭絕緣的交流擊穿場強與海纜本體相近，近接頭海纜比海纜本體的擊穿場強低。海纜本體絕緣中的電樹枝長度較短，而恢復絕緣樣品與過渡區絕緣樣品的樹枝長度明顯長于本體絕緣樣品，橫向發展趨勢明顯。

對不同部位的絕緣切片進行晶相結構檢測分析，結合晶相結構特征，對擊穿電壓和電樹枝特征差異進行分析：

（1）工廠接頭絕緣恢復的硫化、冷卻和海纜本體擠包絕緣是兩個相對獨立的過程，不同的熱歷史造成了XLPE 不同的晶相結構，進而導致工頻擊穿、電樹枝發展特征存在一定差異。

（2）相比于海纜本體，近接頭海纜的交聯度高，結晶度小，表面能低，晶面間距大，擊穿電壓低。一方面，近接頭海纜絕緣在工廠接頭絕緣恢復工藝中發生二次交聯現象，不同時間交聯產生的交聯網絡之間可能會存在界面，影響電子輸運；另一方面，再次經歷高溫硫化過程，近接頭海纜外部絕緣會發生一定程度的老化。

500 kV XLPE 海纜的絕緣較厚（超過30 mm），注塑絕緣厚度較大的工廠接頭時，為避免一次性硫化過程中交聯副產物甲烷不易析出進而易在絕緣中產生氣孔，常采用分層擠塑硫化。但是多次加熱會造成制作工期延長，XLPE 熱歷史不一致。因此，在工廠接頭絕緣恢復過程中應適當控制硫化條件，使其硫化溫度略低于電纜本體硫化的溫度，并增大壓強，延長硫化時間，保證工廠接頭絕緣恢復的硫化質量；同時注意避免硫化時間過長，以防近接頭海纜外部絕緣發生老化變黃，進而影響其介電性能和機械性能。

2 半導電層與絕緣層的電熱匹配特性

（1）海纜半導電復合材料理化性能

制備不同LDPE 含量（35wt%，40wt%，45wt%，50wt%，55wt%）和CB（炭黑）含量（20wt%，25wt%，30wt%）的半導電層，分析半導電層組分對其理化性能的影響，并與海纜商用半導電料進行性能對比。采用SEM（電子掃描電鏡）對不同CB 含量、不同LDPE 含量的半導電層試樣進行微觀形貌掃描；采用FTIR（傅里葉紅外轉換光譜）對不同CB含量、不同LDPE 含量的半導電層屏蔽料進行表征，并與海纜用半導電屏蔽層進行對比；將不同LDPE 含量和CB 含量的半導電屏蔽層薄膜制成厚度為1 mm、寬度為4 mm 的啞鈴型形狀，對其進行斷裂拉伸試驗，并與海纜商用半導電層薄膜進行對比。

不同LDPE 含量的半導電層的傅里葉紅外圖譜如圖3 所示。由圖3 可知，與海纜商用半導電層對比，LDPE 含量不同的半導電層試樣的紅外傅里葉圖譜所對應的峰位置基本一致。

圖3 不同LDPE 含量的半導電層的傅里葉紅外圖譜

半導電層組分對其理化性能影響的分析結果表明： CB 含量對整體結構疏松程度影響較大；LDPE 含量對試樣微觀形貌影響顯著；隨LDPE含量的增加，半導電屏蔽料的斷裂伸長率先增加后減小；隨CB 含量的增加，半導電層屏蔽料的斷裂伸長率、拉伸強度、最大拉力逐漸減少。

（2）海纜半導電層與絕緣層的熱匹配特性

采用激光閃射儀對不同CB 含量、不同LDPE含量的半導電層及絕緣層的導熱系數進行測定。試樣厚度為1 mm，測量電壓為250 V，脈沖寬度為400 ns。采用熱膨脹儀對半導電層與絕緣層的熱膨脹系數進行測試，試樣為直徑6 mm、高度20 mm 的圓柱。結果如圖4 和圖5 所示。

由圖4 可知： 隨著溫度升高，海纜半導電層和絕緣層的導熱系數均呈現緩慢增加趨勢，海纜半導電層的導熱系數約為絕緣層的2 倍；溫度超過80 ℃時，半導電層的導熱系數出現下降。

由圖5 可知： 海纜半導電層和絕緣層的熱匹配性能較好，隨著溫度升高，二者呈現同比例增加；相同溫度下，海纜絕緣層比半導電層高出約1.5 倍。

（3）海纜半導電層與絕緣層的電匹配特性

圖5 海纜半導電層與絕緣層熱膨脹系數對比

采用半導電橡膠電阻測試儀測試半導電屏蔽層的電阻率，樣品長度115 mm，寬度50 mm，測試溫度30～110 ℃，結果如圖6 所示。

圖6 海纜半導電層、絕緣層電阻率隨溫度變化

以500 kV 海纜絕緣料為原料，采用平板硫化機制備海纜絕緣層試樣，厚度為0.15 mm；采用電壓擊穿儀進行海纜絕緣層擊穿性能測試，升壓速度為1 kV/s。電纜用半導電屏蔽層的擊穿性能無法準確地直接測量，分別制備半導電層試樣與XLPE 絕緣層試樣后，將半導電層與絕緣層熱熔接在一起，熱熔接后的半導電層、絕緣層復合結構試樣總厚度約為0.45 mm，尺寸為10 mm×10 mm，擊穿場強按照絕緣層厚度進行計算。海纜絕緣層以及海纜半導電層、絕緣層復合結構試樣的擊穿場強測試結果如圖7 所示。

圖7 海纜絕緣層與半導電層、絕緣層復合結構擊穿場強對比

由圖6 可知： 隨著溫度升高，海纜半導電層的電阻率增加不明顯；隨著溫度升高，海纜絕緣層的電阻率減低較為明顯，下降約2 個數量級。

由圖7 可知： 隨著溫度升高，海纜絕緣層的擊穿場強逐漸降低；隨著溫度升高，海纜半導電層、絕緣層復合結構的擊穿場強整體呈現下降趨勢，但下降幅度不大。說明海纜半導電層和絕緣層具有較好的熱穩定性，尤其是在高溫下保持了良好的擊穿性能。

3 海纜敷設大噸位纜盤應力分布特性及敷設系泊穩定控制

（1）大噸位海纜敷設船纜盤的應力分布特性

掌握大噸位海纜敷設船纜盤結構的應力分布特性是實現大截面、高比重海纜敷設全應力釋放控制的關鍵。基于有限元數值仿真，分析纜盤底板厚度、托輪個數、托輪平面布置等關鍵因素對5 000 t 電纜盤應力、應變的影響規律。不同托輪個數，纜盤底板應力分布如圖8 所示；不同底板厚度，纜盤底板應力分布如圖9 所示。

由圖8 和圖9 可知，底板厚度和托輪個數對纜盤底的應力分布規律影響基本相同，同樣為受力遠端應力值大于受力近端大于受力點，且高應力區域集中在底板與托輪接觸面處。

（2）復雜海浪作用下海纜敷設系泊穩定特性

圖8 托輪個數對纜盤底板應力分布的影響

圖9 底板厚度對纜盤底板應力分布的影響

采用數值模擬和物理模擬試驗相結合的方式，考慮系泊方式、來波方向、波高、波浪周期等多種因素，進行水深100 m，流速2.57 m/s，風速20.7 m/s，4 種系泊方式（10°，16.6°，20°，30°夾角），7 種來波方向（0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°），波高2 m，4 種波浪周期（7 s，8 s，9 s，10 s）共計112 種工況的海纜敷設船舶水動力性能分析。船模縮尺比為1∶49。

以荷載方向為0°工況為例，不同系泊方式工況下，船舶自由度對比情況如圖10 所示。由圖10可知，荷載方向為0°時，縱蕩、垂蕩在不同的系泊方式條件下相差不大；綜合比較，10°系泊方案更優。

112 種工況下海纜敷設船舶水動力性能的數值模擬和物理模擬試驗結果表明： 荷載方向為0°時，綜合比較，10°系泊方案更優；荷載方向為30°時，綜合比較，20°系泊方案更優；荷載方向為60°和90°時，不同系泊方式條件下自由度均較大。

4 結語

結合世界上首個交流500 kV XLPE 海纜工程，論述了500 kV XLPE 海纜工廠接頭絕緣性能及近接頭海纜的絕緣特性、半導電層與絕緣層的電熱匹配特性、海纜敷設大噸位纜盤應力分布特性及敷設系泊穩定控制等方面的主要科學問題，為更高電壓等級的XLPE 海纜研制與工程應用提供了重要參考。揭示了LDPE 熔體密度分布差異對海纜工廠接頭及近接頭海纜絕緣性能的影響，為工廠接頭制造提供了理論依據；揭示了海纜半導電層和主絕緣層的電、熱匹配情況對海纜電氣性能的影響規律，為海纜制造所用半導電料與絕緣料的匹配選擇提供了理論依據；揭示了底板厚度、托輪個數等關鍵因素對大噸位海纜盤應力分布的影響規律以及海上敷設船舶的水動力性能，為大噸位海纜施工船的設計制造、海纜敷設系泊方式選擇提供了理論依據。